三维GIS空间数据模型发展现状.doc

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1、三维GIS空间数据模型发展现状摘要：随着三维应用的需要，基于2维或2.5维的空间数据模型已不能满足应用的需要。国内外有关学者在三维空间数据结构，三维空间关系以及三维数据显示等方面进行了大量的研究，并取得了丰硕的成果。尽管如此在这些研究领域仍然有很多问题有待进一步研究，特别是在三维空间数据结构上，至今没有一个统一的标准。文章主要讲述了目前三维GIS空间数据模型的发展现状，以及未来的展望。关键词：三维；空间数据模型；建模　　20世纪后期，信息社会的到来使得人们对信息的广泛性、精确性、实时性以及综合性上的要求都越来越高，计算机科学的发展为

2、满足这种要求提供了可能。地理信息系统在这种背景下产生和发展起来的。早期的GIS实际上主要集中于图形符号的平面显示，它的研究成果和应用系统主要集中于描述二维空间信息,目前各项技术已较为成熟。但由于二维地理信息系统将实际的三维物体采用二维的方式表示,具有很大的局限性,大量多维空间信息无法得到利用。因此,随着计算机图形学和硬件技术的迅猛发展同，三维GIS（3DGIS）成为当今GIS发展的重要趋势。基于上述背景，本文以面向三维空间信息系统的空间数据模型为研究对象，首先论述了空间数据模型的基本概念及主要任务，然后介绍了三维空间数据模型的现状、

3、研究进展、存在问题和展望。1空间数据模型概述模型是对现实世界中事物或现象的简化、抽象和模拟，是进一步获取客观规律的方法和手段。数据模型就是对现实世界进行必要的简化、观念化处理，以反映实体的某些结构特征和行为功能属性，并能够描述各种类型的实体数据及其相互关系。空间数据模型则是研究空间实体及空间关系等概念的表达，包括空间实体及空间关系的定义及描述与表达方法、空间实体和非空间实体之间的直接或间接关系的描述与表达等。三维空间数据模型是关于三维空间数据组织的概念和方法，它反映了现实世界中空间实体及实体间的相互联系。对三维空间数据模型的认识和研

4、究在很大程度上决定着三维GIS系统的发展和应用的成败。2三维空间数据模型现状三维空间数据模型研究是三维GIS领域内的研究热点和难点，也是空间信息可视化的基础。国内外许多专家学者在此领域做了很多的探索，在过去的十几年中，相继提出了20余种空间数据模型。2.1按照空间认知方法和面向对象的编程思想我们将数据结构分成三层:第一层是基础几何模型层，第二层是应用模型层，第三层是组合关系模型层。其中，基础几何模型层是将三维空间用点、线、面、体等基本的几何要素来表示;应用模型层是根据实际需求在基础几何模型的基础上采取不同的分析方法来表达现实三维空间

5、中的不同现象;组合关系模型层是采用不同的组合方法来建立空间对象之间的关系，建立起整个三维空间的联系。2.2按照对现实世界提取方式的不同我们将三维空间数据模型分为基于镶嵌的数据模型、基于矢量的数据模型、混合型数据模型和分析型四种数据模型种类型。基于镶嵌的数据模型是将三维空间划分成一系列连通但不重叠的几何元素，它可以看成是二维镶嵌模型的扩展。与二维情形相比，它所面临的主要问题是数据量的急剧增加及随之带来的如何对这些大量数据进行有效存贮和管理等问题。三维镶嵌模型常用的方法有单元分解法、空间枚举法、四面体格网模型等几大类。基于矢量的数据模型

6、以物体边界为基础定义和描述几何形体，空间实体的几何信息和拓扑信息分开进行存贮，坐标的改变不会影响拓扑关系。该方法直接给出了空间实体的边界描述，从而有利于图形的生成和几何特性的计算。其缺点是数据结构复杂，存贮量大，数据更新及数据维护的工作量较长，且该方法难于精确表达带有曲面的空间实体，缺乏对三维体状实体内部及拓扑关系等信息的描述，因此，它对实体的整体描述能力较弱。目前常见的基于矢量的数据模型主要有线框表示法和边界表示法两种。基于混合结构的数据模型是将两种或两种以上的数据模型加以综合，形成一种具有一体化结构的数据模型。它采取一种折衷的方

7、法，减少了镶嵌型和矢量模型的不足，同时，也降低了他们各自的优越性。比较有代表性的方法有几何体素构造法、基于八叉树和四面体格网的混合模型、面向对象的三维空间数据模型、基于多种表示的CSG+octree数据模型；基于TIN+octree的混合型数据模型等。2.3按照吴立新等人提出的方案将空间数据模型归纳为三大类:一类是基于表面表示的数据结构（FacialModel），第二类是基于体表示的数据结构(VolumetricModel)，第三类是基于混合构模的数据模型（MixedModel）。第一类数据结构侧重于3D空间表面表示，如:地形表面，

8、地质层面等，通过表面表示形成3D空间目标表示，其优点是便于显示和数据更新，不足之处是空间分析难以进行。第二类数据结构侧重于3D空间体的表示，如:水体，建筑物等，通过对体的描述实现3D空间目标表示。其优点是适于空间操作和分析，但存储空间